| 연구개발개요 |
○ 액체수소 기반 인프라의 및 필요성 - 도심지 설치 부지 및 운송 문제에 따른 액체수소 기반 인프라 구축의 필요성 · 저장용량 측면에서 액체수소는 고압 기체수소 (200 bar) 대비 액 4배의 저장밀도를 가짐 · 수송효율 및 실제 설치부지 관점에서는 10배 이상의 차이를 보임 · 도심지 내 부지 가격 및 저장 안전성 측면을 동시에 고려할 경우, 수소에너지 보급화를 위해서 액체수소 기반의 인프라 구축은 필수적임 · 해외 수소충전소 액체수소 공급 비율은 미국 (87%), 일본 (63%), 유럽 (12%) 수준이며, 향후 액체수소 공급 비율은 증가할 것으로 예상됨 (Linde) - 미래 수소사회 대비를 위한 대용량 수소 저장의 필요성 · 국내에서 전 국민이 사용하는 도시가스 (NG)는 기체상태로 파이브라인을 통해 보급되고 있으나, 는 해외에서 액체상태인 LNG로 수입되어 각 지역의 인수기지에 액체 상태로 저장되어 있음 · 수급의 관점에서 LNG 인수기지와 같은 대용량 액체 저장 방식이 수소 인프라에도 필수적임 - 선박연료용 액체수소 필요성 · IMO 는 모든 신조 선박의 CO2 배출 감축 의무화 (2013년 기준 대비 2020 년 이후 20%, 2025년 이후 40% 감축)을 의무화 함 · 선박 추진시스템은 Phase 2 이후부터 기존의 HFO (Heavy Fuel Oil) 또는 MGO (Marine Gas Oil) 연료를 사용하는 Steam turbine 및 직접 구동 디젤 시스템에서 MGO에 LNG (Liquefied Natural Gas)를 혼소하는 시스템으로 전환되고 있으며, 최근들어 LNG를 연료로 사용하는 LNG 추진선박이 신조되고 있음 · Phase 4 (2025년 이후)에서는 선박 추진시스템으로 MGO+LNG 혼소 시스템도 CO2 배출 규제를 만족하지 못할 것으로 예측되며, CO2 배출 저감 목표 달성을 위한 선박 추진시스템의 연료로 수소를 적용할 가능성이 높음 · 선박과 같은 대용량 연료를 필요로 하는 추진 시스템의 경우 액체수소를 기반으로 한 연료저장시스템이 필수적임 - 액체수소의 국가 전략적 필요성 · 액체수소의 경우, 우수한 체적에너지 밀도를 가지기 때문에 우주 발사체, 잠수함 등의 연료로 활용되어, 미국의 경우 수출 금지 품목으로 분류되어 관리되고 있음 · 또한 향후 드론 (무인비행체), 항공기 연료로의 사용가능성이 높아 관련 산업의 발전을 위해서도 필수적으로 액체수소 생산 기술을 확보하여야 함 · 전 세계에서 운영되고 있는 상용급 수소액화 플랜트는 2010년 기준 355 ton/day 수준으로 미국과 캐나다의 북미 지역 300 ton/day, 유럽 24.4 ton/day, 중국, 인도, 일본에 약 30.6 ton/day 정도이며, 국내의 경우 상용급 수소액화 플랜트는 전무한 실정 · 상용 수소액화플랜트 기술은 Air Product & Chemicals (미국), Praxair (미국), Linde (독일), Air Liquide (프랑스) 등 4개 기업에서 액화 공정기술, 플랜트의 건설, 운영까지를 독점하고 있음 · 국내의 경우, 대용량 수소액화 플랜트가 전무하며, 우주 발사체 개발 등의 국가 전략적 관점에서 상용급 수소액화 플랜트를 포함한 액체수소 기반 인프라는 반드시 확보해야할 기술임○ 액체수소의 단점 및 이의 해소 방안 - 액체수소의 제조는 액화 시 단순 압축 저장 방식에 비해 많은 에너지를 필요로 함 - 수소액화 공정의 효율은 액화과정에서 냉열을 무상으로 공급받을 수 있다면 700 bar 압축 공정과 비슷한 수준의 효율을 기대할 수 있음 - 실제로 주로 LNG를 수입하는 일본과 우리나라의 경우 LNG의 기화과정에서 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 것이 가능함 - 특히 LNG의 기화를 통하여 SMR에 메탄을 공급하여 기체수소를 생산하고, 이때 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용하는 경제성 있는 수소공급 모델을 활용할 수 있음
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| 연구내용 및 범위 |
○ 연구개발 목표 - 대용량 수소액화 플랜트 기술 상용화를 위한 핵심 기술 국산화 개발 및 성능 검증을 통한 수소경제 사회 인프라 구축 - 총 사업추진 기간 (5차년도)을 2단계로 나누어 1단계 (1-3차년도)에는 핵심기술 개발을 목표로 하고, 2단계 (4-5차년도)에는 개발기술의 Pilot 급 수소액화 플랜트 적용을 연구개발 목표로 설정 · (1단계) 고효율 수소액화 공정 기술, Pilot 급 수소액화 플랜트 구축 및 Pilot급 핵심 기자재 (Turbo Expander, 열교환기, Cold Box, 밸브, 저장탱크) 개발 · (2단계) 1단계 구축된 Pilot 급 수소액화 플랜트의 운용, 스케일업 설계를 통한 상용급 수소액화 플랜트 설계기술 확보, 1단계에서 개발된 Pilot 급 핵심 기자재의 수소액화 플랜트 적용/성능평가 및 성능평가 결과를 토대로 한 상용급 핵심 기자재 개발○ (1세부) 고효율 수소액화 공정 기술 개발 - LNG 냉열 활용 수소액화 예냉 방법론 및 고효율 수소액화 공정 모델 개발 - 수소액화 공정/기본/상세 설계 및 0.5 TPD급 Pilot 플랜트 구축 - 수소액화 Pilot 플랜트 운전 제어 및 운영 DB 확보 - 스케일업 설계를 통한 상용급 수소액화 플랜트 기본설계 패키지 개발 - 액체수소 제조 및 저장 관련 안전규정/제도 개선안 도출○ (2세부) 수소액화용 극저온 Turbo Expander 개발 - 0.5 TPD급 수소액화 Pilot 플랜트용 Turbo Expander 설계 기술 개발 - Turbo Expander 제작 및 조립 기술 개발 - Turbo Expander 작동성 시험 수행 및 성능평가 기술 개발 - 상용급 수소액화 플랜트용 Turbo Expander 스케일업 기술 개발○ (3세부) 수소액화용 극저온 열교환기 개발 - 0.5 TPD급 수소액화 Pilot 플랜트용 극저온 열교환기 설계 기술 개발 - Ortho-Para 변환 촉매 적용 열교환기 설계/해석 기술 개발 - 극저온 열교환기 개발을 위한 브레이징 공정 및 제작 기술 개발 - 극저온 열교환기 성능시험 및 평가 기술 개발 - 상용급 수소액화 플랜트용 극저온 열교환기 스케일업 기술 개발○ (4세부) 수소액화용 Cold Box 개발 - 0.5 TPD급 수소액화 Pilot 플랜트용 Cold Box 설계 기술 개발 - 단열성능 향상을 위한 Cold Box 열 및 구조 설계/해석 기술 개발 - Cold Box 기본/상세 설계, 제작 및 성능평가 기술 개발 - 상용급 수소액화 플랜트용 Cold Box 스케일업 기술 개발○ (5세부) 수소액화용 극저온 밸브 개발 - 0.5 TPD급 수소액화 Pilot 플랜트용 극저온 밸브 설계 기술 개발 - 극저온 밸브 유동 및 구조 해석 기술 개발 - 극저온 밸브 제작 기술 개발 - 수소액화용 극저온 밸브 성능시험 절차서 및 내구성 성능시험 방법론 개발 - 수소액화용 극저온 밸브 Pilot 플랜트 적용 성능 평가 수행
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